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1、 机电工程学院课程设计说明书设计题目:五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试 学生姓名： 学 号： 20094805 专业班级： 机制F09 指导教师： 2012年 12 月 13 日 24内容摘要步进电机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。本文主要是介绍采用可编程控制器(PL
2、C) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。本文设计过程中使用了移位指令，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。在实际应用中表明此设计是合理有效的。关键词: PLC；梯形图；五相十拍步进电机 目 录第1章 引言11.1 五相步进电动机的控制要求11.2 程序设计的基本思路1第2章 PLC控制系统硬件设计32.1 PLC类型选择32.2 I/O点的分配与编号32.3 PLC外部接线图4第3章 PLC控制系统软件设计53.1 绘
3、制控制流程图53.2 梯形图程序设计63.2.1 步进控制设计63.2.2梯形图83.3程序指令表133.4程序调试16结论21设计总结22谢 辞23参考文献24 第1章 引 言步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。步进电机广泛应用于对精度要求
4、比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。1.1 五相步进电动机的控制要求1五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E 。正转顺序: AABBBCCCDDDEEEA；反转顺序: EAEDEDDCCBCBBAA2用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。2号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。3号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。4号开关控制其低速运行 (转过
5、一个步距角需 0.02 秒)。5号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。3.操作方面要求： （1）可正转或反转；（2）运行过程中，正反转可随时不停机切换；（3）步进三种速度可分为高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三档，并可随时手控变速;4.性能方面要求：在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。1.2 程序设计的基本思路在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，
6、而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。第2章 PLC控制系统硬件设计2.1 PLC类型选择PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点。如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一
7、种小型PLC，其许多功能达到了大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC接近。特别是S7-200CPU系列PLC，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。控制步进电机的共有5个输入开关，分别是启/停开关QS1，0.5s低速运行开关QS2，0.1s中速运行开关QS3，0.02s高速运行开关QS4，控制转向开关QS5。控制A、B、C、D、E五相绕组的工作，需要五个直流输出量，分别是A相绕组B相绕组，C相绕组，D相绕
8、组，E相绕组。由于有5个直流输入，5个直流输出，无模拟量输入输出，因此只需5点输入，5点输出即可，加上10%的余量，通过查阅手册选定S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台，输出形式又有继电器输出，晶体管（只能直流）输出，晶闸管输出（只能输出交流）三种形式。由于输出为之流脉冲信号，故采用可直流可交流的继电器输出形式。图2-1是CPU222的图片及简要介绍。图2-1 CPU222的图片及简要介绍2.2 I/O点的分配与编号控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表2-1所示。表2-1 I/O地址分配表输入点输出点元件名称符号地址编
9、码元件名称符号地址编码启/停开关SB1I0.0A相绕组AQ0.00.5s低速运行开关SB2I0.1B相绕组BQ0.10.1s中速运行开关SB3I0.2C相绕组CQ0.20.02s高速运行开关SB4I0.3D相绕组DQ0.3控制转向开关QS1I0.4E相绕组EQ0.42.3 PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。步进电动机采用五相十拍控制I/O接线图如图2-2所示。图2-2 PLC控制I/O接线图第3章 PLC控制系统软件设计3.1 绘制控制流程图由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3-1所示。以工作框图为基本依
10、据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。 图3-1 控制流程图3.2 梯形图程序设计3.2.1 步进控制设计采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表3-1。表3-1 移位寄存器初值M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.1M0.0100000000每右移1位，电机前进一个步距角（一拍），完成十拍后重
11、新赋初值。由于10位大于1字节而又小于2字节，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“0”。据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3-2、3-3所示。从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：正转时A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.0B相 Q0.1= M1.0+M0.7+M0.6C 相Q0.2= M0.6+M0.5+M0.4D相 Q0.3= M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4= M0.2+M0.1+M0.0反转时A相 Q0.0=M1.1+ M0.1+M0.0B相 Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1C相 Q0.2=M0
12、.5+M0.4+M0.3D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5E相 Q0.4=M1.1+M1.0 +M0.7表3-2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）移位寄存器MW0正转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000100000100000000110000010000000010000001000000011000000100000001000000010000001100000001000 00010000000010000011000000001000001000000000110001表3-3 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）移位寄存器MW0反转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0AB
